DE2853856C2 - Impeller blade mounting for an axial flow machine - Google Patents
Impeller blade mounting for an axial flow machineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Laufschaufelbefestigung der im Oberbegriff des Patenanspruchs angegebenen Art.The invention relates to a rotor blade fastening of the type specified in the preamble of the patent claim.
Ein Faktor, der bei axial durchströmten Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinentriebwerken, die Lebensdauer von Laufschaufeln und Läuferscheiben begrenzt, ist die Dauerschwingfestigkeit des Materials, aus welchem sie hergestellt sind. Jedes Arbeitsspiel belastet die Teile mit einem bestimmten Beanspruchungswert. Nach wiederholtem Auftreten von Arbeitsspielen wird jedes Teil schließlich Ermüdungsanrisse aufweisen. Bei sehr niedrigen Beanspruchungswerten ist die Anzahl der Arbeitsspiele, bevor Risse auftreten, nahezu unendlich groß. Bei hohen Beanspruchungswerten wird die Anzahl der Arbeitsspiele dagegen stark begrenzt.One factor that limits the service life of rotor blades and rotor disks in axial flow machines, such as gas turbine engines, is the fatigue strength of the material from which they are made. Each operating cycle loads the parts with a certain stress value. After repeated operating cycles, each part will eventually exhibit fatigue cracks. At very low stress values, the number of operating cycles before cracks appear is almost infinite. At high stress values, however, the number of operating cycles is severely limited.
Die US-PS 40 29 436 beschreibt eine Laufschaufelbefestigung der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Art, bei der die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut des tannenbaumförmigen Schaufelfußes ein und denselben Radius und auch die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut des daran angepaßten Schaufelbefestigungsschlitzes der Läuferscheibe ein und denselben Radius aufweist. Bei einer solchen Schaufelbefestigung werden durch die Schaufelfußtiefe und die Schaufelbefestigungsschlitztiefe die Dauerschwingfestigkeit des Läufers, die Menge an totem Material am Umfangskranz der Läuferscheibe und damit das Läuferscheibengewicht und die Anzahl der an der Läuferscheibe anbringbaren Laufschaufeln festgelegt.US-PS 40 29 436 describes a rotor blade fastening of the type specified in the preamble of the patent claim, in which the rounding of the groove base of each groove of the fir-tree-shaped blade root has one and the same radius and also the rounding of the groove base of each groove of the blade fastening slot of the rotor disk that is adapted to it has one and the same radius. In such a blade fastening, the blade root depth and the blade fastening slot depth determine the fatigue strength of the rotor, the amount of dead material on the peripheral ring of the rotor disk and thus the rotor disk weight and the number of rotor blades that can be attached to the rotor disk.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Dauerschwingfestigkeit der Schaufelfüße und/oder der Läuferscheibe an deren Umfang bei gleicher Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe zu schaffen oder aber bei gleicher Dauerschwingfestigkeit die Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe herabzusetzen.The object of the invention is to provide an improved fatigue strength of the blade roots and/or the rotor disk at their circumference with the same blade root and/or blade fastening slot depth or to reduce the blade root and/or blade fastening slot depth with the same fatigue strength.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the features specified in the characterising part of the patent claim.
Die Schaufelbefestigung nach der Erfindung ermöglicht, die Dauerschwingfestigkeit der Schaufelfüße bei gleicher Schaufelfußtiefe zu verbessern oder bei geringerer Schaufelfußtiefe unverändert beizubehalten und die Dauerschwingfestigkeit der Läuferscheibe an deren Umfang bei gleicher Tiefe der Schaufelbefestigungsschlitze zu verbessern oder bei kleinerer Schaufelbefestigungsschlitztiefe unverändert beizubehalten. Zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit und zur Verringerung der Größe der kombinierten Biege- und Scherbeanspruchung bei gleicher Schaufelfuß- und/oder Schaufelbefestigungsschlitztiefe wird erfindungsgemäß der Radius des am stärksten belasteten Teils des Nutgrundes, wo sowohl Biegebelastungen als auch Scherbelastungen das Material auf Zug beanspruchen, vergrößert, wogegen der Radius des weniger stark belasteten Teils des Nutgrundes, wo Biegebelastungen und Scherbelastungen entgegengesetzt wirksam sind, verkleinert. Auf diese Weise wird die Dauerschwingfestigkeit verbessert und die Größe der kombinierten Biege- und Scherbeanspruchung verringert, ohne die Tiefe des Schaufelfußes oder des Schaufelbefestigungsschlitzes zu erhöhen. Eine Verringerung der Schaufelfußtiefe oder der Schaufelbefestigungsschlitztiefe ist durch die Verkleinerung des Radius der Abrundung des schwächer belasteten Teils des Nutgrundes möglich, ohne daß dadurch die Dauerschwingfestigkeit herabgesetzt wird. Das Vergrößern des einen Radius und das Verringern des anderen Radius ermöglicht nämlich eine Verringerung der Maximalbeanspruchung ohne eine entsprechende Vergrößerung der Schaufelfußtiefe. Eine kleinere Tiefe des Schaufelfußes und/oder des Schaufelbefestigungsschlitzes in der Läuferscheibe ermöglicht eine Verringerung des Gewichts der Läuferscheibe oder den Einbau einer größeren Anzahl von Laufschaufeln bei einem vorbestimmten Läuferscheibendurchmesser.The blade fastening according to the invention makes it possible to improve the fatigue strength of the blade roots with the same blade root depth or to keep it unchanged with a smaller blade root depth and to improve the fatigue strength of the rotor disk at its circumference with the same depth of the blade fastening slots or to keep it unchanged with a smaller blade fastening slot depth. In order to improve the fatigue strength and to reduce the magnitude of the combined bending and shear stress with the same blade root and/or blade fastening slot depth, according to the invention the radius of the most heavily loaded part of the groove base, where both bending loads and shear loads stress the material in tension, is increased, whereas the radius of the less heavily loaded part of the groove base, where bending loads and shear loads act in opposite directions, is reduced. In this way the fatigue strength is improved and the magnitude of the combined bending and shear stress is reduced without increasing the depth of the blade root or the blade fastening slot. It is possible to reduce the blade root depth or the blade fastening slot depth by reducing the radius of the rounding of the less loaded part of the groove bottom without reducing the fatigue strength. Increasing one radius and reducing the other radius enables the maximum stress to be reduced without a corresponding increase in the blade root depth. A smaller depth of the blade root and/or the blade fastening slot in the rotor disk enables the weight of the rotor disk to be reduced or a larger number of rotor blades to be installed for a given rotor disk diameter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Laufschaufelkranzes, Fig. 1 is a simplified representation of part of a rotor blade ring,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Laufschaufelbefestigung nach Fig. 1 und Fig. 2 is an enlarged view of a portion of the blade attachment according to Fig. 1 and
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Laufschaufelbefestigung nach Fig. 2. Fig. 3 is an enlarged view of a portion of the blade attachment according to Fig. 2.
Ein Teil eines Turbinenläufers 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Der Turbinenläufer 10 weist eine Läuferscheibe 12 und mehrere Laufschaufeln 14 auf, die sich von derselben aus radial nach außen erstrecken. Jede Laufschaufel 14 hat einen Schaufelfuß 16 und ein Schaufelblatt 18. Jeder Schaufelfuß 16 ist tannenbaumförmig ausgebildet. Der tannenbaumförmige Schaufelfuß 16 jeder Schaufel faßt in einen entsprechend geformten Schaufelbefestigungsschlitz 20 an dem Unfang der Läuferscheibe 12 ein. Jeder Schaufelbefestigungsschlitz 20 erstreckt sich bis unter den Fuß 16 der Schaufel 14, um einen Schaufelfußhohlraum 22 zwischen der Schaufel und der Läuferscheibe 12 zu bilden. Wenigstens eine Seitenplatte 24 liegt an der Läuferscheibe 12 an, um die Schaufelfüße 16 in den entsprechenden Schaufelbefestigungschlitzen 20 einzuschließen. Mehrere Nieten 26, die durch die Schaufelfußhohlräume 22 hindurchgehen, halten jede Seitenplatte 24 an der Läuferscheibe 12 fest.A portion of a turbine runner 10 is shown in Fig. 1. The turbine runner 10 includes a rotor disk 12 and a plurality of blades 14 extending radially outward therefrom. Each blade 14 has a blade root 16 and an airfoil 18. Each blade root 16 is fir tree shaped. The fir tree shaped blade root 16 of each blade engages a correspondingly shaped blade mounting slot 20 on the periphery of the rotor disk 12. Each blade mounting slot 20 extends below the root 16 of the blade 14 to form a blade root cavity 22 between the blade and the rotor disk 12. At least one side plate 24 abuts the rotor disk 12 to enclose the blade roots 16 in the corresponding blade mounting slots 20 . A plurality of rivets 26 passing through the blade root cavities 22 secure each side plate 24 to the rotor disk 12 .
Die Befestigung des tannenbaumförmigen Schaufelfußes 16 ist ausführlicher in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Der Schaufelfuß 16 hat mehrere Zähne 28, die in die Läuferscheibe 12 einfassen. Der Schaufelbefestigungsschlitz 20 der Läuferscheibe 12 hat ebenfalls mehrere Zähne 30, die den Schaufelfuß 16 erfassen. Jeden Zahn 28 nimmt eine entsprechende Nut 32 in dem Schaufelbefestigungsschlitz 20 auf. Jeden Zahn 30 nimmt eine entsprechende Nut 34 in dem Schaufelfuß 16 auf. Die Abrundung des Nutgrundes jeder Nut 2 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 hat einen ersten, radial äußeren Bereich 36 mit einem Radius R 3 und einen zweiten, näher bei der Läuferachse gelegenen Bereich 38 mit einem Radius R 4. Die Abrundung des Nutgrundes jeder Schaufelfußnut 34 hat einen ersten, radial inneren Bereich 40 mit einem Radius R 1 und einen zweiten, näher bei dem Schaufelblatt 18 gelegenen Bereich 42 mit einem Radius R 2. Der Radius R 1 ist größer als der Radius R 2, und der Radius R 3 ist größer als der Radius R 4. Fig. 3 zeigt die gegenseitige Beziehung der Radien R 1, R 2 und R 3, R 4.The attachment of the fir-tree-shaped blade root 16 is shown in more detail in Fig. 2 and 3. The blade root 16 has several teeth 28 which engage the rotor disk 12. The blade attachment slot 20 of the rotor disk 12 also has a plurality of teeth 30 that engage the blade root 16. Each tooth 28 receives a corresponding groove 32 in the blade mounting slot 20. Each tooth 30 receives a corresponding groove 34 in the blade root 16. The groove bottom fillet of each groove 2 of the blade mounting slot 20 has a first, radially outer region 36 with a radius R 3 and a second region 38 closer to the rotor axis with a radius R 4 . The groove bottom fillet of each blade root groove 34 has a first, radially inner region 40 with a radius R 1 and a second region 42 closer to the blade 18 with a radius R 2 . The radius R 1 is greater than the radius R 2 , and the radius R 3 is greater than the radius R 4 . Fig. 3 shows the mutual relationship of the radii R 1 , R 2 and R 3 , R 4 .
Während der Drehung des Turbinenläufers 10 ziehen Zentrifugalkräfte die Laufschaufeln 14 von der Läuferscheibe 12 aus radial nach außen. Zentripetale Haltekräfte werden durch die Schaufelbefestigungsschlitze 20 der Läuferscheibe 12 über die tannenbaumförmigen Schaufelfüße 16 auf jede Laufschaufel 14 ausgeübt. Die Zähne des Schaufelfußes 16 und des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 werden dabei kombinierten Scher- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt. In den ersten Bereichen 36 der Nuten 32 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 und in den ersten Bereichen 40 der Schaufelfußnuten 34 addieren sich die Scher- und Biegebeanspruchungen. In den zweiten Bereichen 38 der Nuten 32 des Schaufelbefestigungsschlitzes 20 und in den zweiten Bereichen 42 der Schaufelfußnuten 34 wirken die Biege- und Scherbeanspruchungen einander entgegen. Als Ergebnis treten maximale kombinierte Beanspruchungen in den ersten Bereichen 36 und 40 und insbesondere an Stellen S auf.As the turbine rotor 10 rotates, centrifugal forces pull the rotor blades 14 radially outward from the rotor disk 12. Centripetal holding forces are exerted on each rotor blade 14 by the blade attachment slots 20 of the rotor disk 12 via the Christmas tree-shaped blade roots 16. The teeth of the blade root 16 and the blade attachment slot 20 are subjected to combined shear and bending stresses. In the first regions 36 of the grooves 32 of the blade attachment slot 20 and in the first regions 40 of the blade root grooves 34 , the shear and bending stresses add up. In the second regions 38 of the grooves 32 of the blade attachment slot 20 and in the second regions 42 of the blade root grooves 34 , the bending and shear stresses counteract each other. As a result, maximum combined stresses occur in the first areas 36 and 40 and especially at locations S.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaufelbefestigung ermöglicht eine geringere Schaufelfußtiefe D, was durch die Verwendung der Radien R 1, R 2, und R 3, R 4 der Abrundungen der Nuten 32 des Schaufelbefestigungssschlitzes 20 und der Schaufelfußnuten 34 erreicht wird. Die Nuten 32 und 34 sind mit den größeren Radien R 1 bzw. R 3 in den Gebieten an den Stellen S hoher Beanspruchungskonzentration versehen. Die kleineren Radien R 2 bzw. R 4 werden in den Gebieten niedrigerer Beanspruchungskonzentration benutzt.The blade attachment shown in Fig. 2 enables a smaller blade root depth D , which is achieved by using the radii R 1 , R 2 , and R 3 , R 4 of the roundings of the grooves 32 of the blade attachment slot 20 and the blade root grooves 34. The grooves 32 and 34 are provided with the larger radii R 1 and R 3 respectively in the areas at the locations S of high stress concentration. The smaller radii R 2 and R 4 respectively are used in the areas of lower stress concentration.
Die Menge an totem Material am Umfang der Läuferscheibe 12 ist zu der Schaufelfußtiefe D direkt proportional. Das Verringern der Schaufelfußtiefe D ermöglicht daher eine Konstruktion mit einem niedrigeren Läuferscheibengewicht. Außerdem ermöglicht das Verringern der Schaufelfußtiefe D eine erhöhte Schaufelfußbelastung in der Läuferscheibe 12 bei Ausführungsformen, die eine große Anzahl von Laufschaufeln auf einer Läuferscheibe relativ kleinen Durchmessers erfordern. Die Laufschaufeln können in engeren Abständen angeordnet werden, während ausreichend Material an dem Umfang der Läuferscheibe erhalten bleibt.The amount of dead material at the periphery of the rotor disk 12 is directly proportional to the blade root depth D. Therefore, reducing the blade root depth D enables a design with a lower rotor disk weight. In addition, reducing the blade root depth D enables increased blade root loading in the rotor disk 12 in embodiments that require a large number of blades on a relatively small diameter rotor disk. The blades can be spaced more closely while maintaining sufficient material at the periphery of the rotor disk.
In einer anderen Ausführungsform ergibt die hier beschriebene Laufschaufelbefestigung geringere maximale Beanspruchungen bei äquivalenter Schaufelfußtiefe D. In einer solchen Ausführungsform sind die Radien R 1, R 3 größer als die in Fig. 3 dargestellten, während die Radien R 2, R 4 konstant gehalten werden.In another embodiment, the blade attachment described here results in lower maximum stresses at equivalent blade root depth D . In such an embodiment, the radii R 1 , R 3 are larger than those shown in Fig. 3, while the radii R 2 , R 4 are kept constant.
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